【毕业学位论文】应用GIXRD量测薄膜残留应力与化学机械抛光的影响分析-光电工程

國台灣科技大學 機械工程系 碩士學位文 學號：用 測薄膜殘應 與化學機械拋光的影響分析 究 生：陳孟科 指導教授：陳炤彰 博士 中華民國九十七月二十日 要 半導體元件是由層同的厚且材質互的薄膜所構成，鎢薄膜做為柱 (的用途，化學機械拋光 (半導體製程中全面平坦化 (方法。但薄膜經 後，表面材移除同時伴隨有殘應的變化，殘應對薄膜結構及材性質具有關 鍵的影響。本研究測鎢薄膜殘應，探討鎢薄膜化學機械拋光對其影響。研究方法規劃化學機械拋光與電化學拋光 (組實驗，以低角繞射法 (測薄膜次表面殘應，將測結果由 體編輯程式，計算殘應值，計算結果與分析軟體 (較結果一致，計算值誤差自同的近似方式。化學機械拋光殘應測結果，薄膜 應分佈為張應的態，隨著深的增加而遞減，次表面由於拋光液與薄膜之間化學作用生成氧化物，同時也受到磨顆刮損的影響產生次表面破壞，由 測結果，次表面變質層分佈約 化學拋光殘應測結果，薄膜 應分佈隨著深的增加而遞減，次表面因為電解過程中受到電化學作用，電解液與薄膜之間生成氧化物，次表面變質層分佈約 16較薄膜 薄膜 應分佈曲線，去除移除厚變化的影響，得知薄膜 程殘應。由實驗設計，改變下壓與相對轉速，得到薄膜 應變化的迴歸方程式作為預測式。未研究可應用 測同材薄膜殘應梯的分佈，作為化學機械拋光製程 考，改善薄膜拋光後的品質。 關鍵字：鎢薄膜、殘應、 低角繞射法、化學機械拋光 on is as a C is in MP is to of on is in to MP is by a by in MP by by MP CP CP MP MP be a is to of to MP of be as a in MP to of 謝 詩 126： 56撒種的，必歡呼收割 ！那帶種出去的，必要歡歡地帶禾捆回！ 。感謝主的引與祝，使我能順完成文研究並將榮耀歸給。 在工研院當實習生的這一中，開著我的 號上，往返台與新竹地，有著岸猿聲啼住，輕舟已過萬重山的感觸。研究過程中，感謝工研院測中心傅尉恩博士的悉心指導，每次在實驗遇到因難與瓶頸時，總是給我許多建議和幫助，並且提供相關測設備與經費供研究使用，同時感謝 司的張珍永工程師的協助。 台科大二，感謝陳炤彰師給我許多機會與研討會並發表文，對於研究斷求，同時去同的單位接受專業訓，經同的人、事、物，個人覺得 獲多。同梯的先明、峻碩、怡欣，感謝讓我們一起 課與學習，同甘苦共患難。製造分析實驗室的成員，厲生、智榮、明輝、豐吉、柄、景翔、偉、彥德、 8：28萬事互相效，叫愛的人得處 ，感謝你們的幫忙。 從南科職之後，峰回轉，背著書包回到學校，重新再當個菜鳥學生，感謝我的家人，默默地為我祝；我的，總是陪著我與我同在，未求主祝褔我手所獻，我所計劃一事工，惟靠信心志向意，其餘一在主手中。 摘 要 . I . 謝 . . 目 . 目 .號表 (.一章 緒 .究背景 .究目的與方法 .文架構 .二章 薄膜拋光之殘應 .膜化學機械拋光製程 .膜拋光與文獻探討 .膜拋光之殘應 .膜殘應測文獻探討 . 殘應測方法 . 應用 測薄膜殘應 .獻回顧總結 .三章 薄膜殘應測分析 .膜雙軸向平面應態 .測鎢薄膜試片 . 實驗試片準備 . 測設備簡介 . 殘應測規劃 .測結果 .應計算程式之編輯與結果 .四章 實驗規劃 .驗規劃程 .學機械拋光 .化學拋光 .膜試片測 .驗迴歸設計 .五章 實驗結果與討 .膜化學機械拋光結果與討 . 化學機械拋光時間與殘應關係實驗結果 . 改變下壓和相對轉速實驗結果 .膜電化學拋光結果與討 .學機械拋光對薄膜殘應的影響之討 .驗迴歸分析結果 .果與討總結 .章 結與建議 . .議 .考文獻 . A 格明 . B 正結果 . C 鎢薄膜試片的 . D 四點探針測簡介 . E 殘應梯分佈測值 .者簡介 .薄膜技術相關域 1 .鎢柱示意圖 4 .程圖 4 .薄膜材移除殘應的變化 .薄膜 移除示意圖 .研究程圖 .化學機械拋光示意圖 .化學機械拋光壓分佈 8 .拋光相對轉速 9 .磨顆、晶圓與拋光墊接觸關係 10 .液動壓模型 12 .鈍化層對殘應的關係 15 .矽晶圓 後次表面破壞示意圖 16.材內部痕與殘應示意圖 17 .化學機械拋光後延性與脆性破壞示意圖 17 .消除次表面破壞示意圖 18 .電化學拋光實驗架設 19 .電化學拋光同時間表面粗糙結果 21 .同原子化學氣相沉積 .薄膜與基材之間同的晶格常 .熱膨脹係同形成熱殘應 .薄膜伸與壓縮示意圖 23 .磨顆作用與受示意圖 6 .薄膜殘應梯分佈 .機械法 27 .干涉法 28 .繞射法 .布格定 .意圖 .應用低角繞射法測 2.應用低角繞射法測 3 .正交座標系統 .同方位測應變值 .薄膜平面應態 .鎢屬晶格結構 34 .鎢 膜試片示意圖 .低角繞射儀 .應用 測殘應程 .試片測位置定位 .射區域 .調整測 0、 45和 90的應變值 .2 掃描程式設定 .殘應測程式設定 .2 果 ( ) .2 果 (5) .2 果 (0) .同入射角之穿透強掃描結果 .程式編輯程圖 . o). o) . o) .平面殘應態 .實驗程圖 .化學機械拋光時間與殘應關係實驗 .化學機械拋光與電化學拋光實驗 .拋光液 (.拋光墊 (.光機 (台灣科技大學 ) .電化學拋光電極的接法 .電化學拋光實驗架設 .恆電位儀 .薄膜厚測位置 .四點探針 (0) (台灣大學 ).100) (工業技術研究院 ).場發射電子顯微鏡 (台灣科技大學 ) .同拋光時間殘應的變化 .化學機械拋光後試片圖 .膜試片粗糙 .片粗糙 .片粗糙 .片粗糙 .片粗糙 .化學機械拋光殘應梯分佈曲線圖 .薄膜厚變化與伏強的關係 36 .膜入射角為 射結果 .膜入射角為 射結果 .化學機械拋光後入射角為 射結果 .化學機械拋光後入射角為 射結果 .膜入射角為 射結果 .膜入射角為 射結果 .化學機械拋光後入射角為 射結果 .化學機械拋光後入射角為 射結果 .膜入射角為 1繞射結果 .化學機械拋光後入射角為 1繞射結果 .薄膜 質層與殘應梯分佈 .薄膜 質層分佈示意圖 .薄膜電化學拋光後試片圖 (.動電位極化曲線 .定電壓特性曲線 .電化學拋光後表面粗糙 .電化學拋光殘應梯分佈曲線圖 .電化學拋光後入射角為 射結果 .電化學拋光後入射角為 射結果 .電化學拋光後入射角為 射結果 .電化學拋光後入射角為 1繞射結果 .薄膜 質層示意圖 .膜試片 面圖 .化學機械拋光後 面圖 .電化學拋光後 面圖 .膜、化學機械拋光與電化學拋光後橫面比較 .化學機械拋光與電化學拋光殘應梯分佈 .殘差值分佈圖 .反應曲面圖 .拋光液性質對材移除的影響 11 .鎢屬晶格 34 .繞射結果 () .繞射結果 ( 5) .繞射結果 ( 0).同方位 測結果 .殘應程式計算結果 .殘應計算結果比較 .化學機械拋光設定 .實驗因子與水準 .實驗直交表 .變之計算表 .同時間之厚與殘應的測值 .移除測結果 .移除測結果 .移除測結果 .移除測結果 .殘應梯分佈 測結果 .材移除結果 .殘應梯分佈 測結果 .殘應測結果 .光後殘應值變化結果 .變分析結果 .證實驗測結果 .f： 薄膜 應 s： 基板殘應 薄膜 移除厚 薄膜 應 薄膜 除厚 薄膜 程殘應 薄膜 除厚殘應 薄膜 應 薄膜考殘應 薄膜 除厚 薄膜 除厚殘應 薄膜 應變化 ： 材移除 nm/ P ： 下壓 kg/V ： 相對速 薄膜內應 薄膜外應 薄膜熱應 E ： 楊氏模 ： 蒲松氏比 晶格變形前晶格大小 d ： 原子平面間距 ： 布格入射角 ： 長 I ： 透強 x ： 穿透距 D ： 穿透深 ： 材對 線性吸收係 1/ ： 射角 ： ： i： 1第一章 緒 究背景 薄膜科學（ 1在光電及半導體等相關產業的應用，帶動許多同材及科學域的快速發展如 示。薄膜材廣泛應用於積體電（ 微機電系統（ 平面顯示器 (面。隨著元件斷地微小化，薄膜的材性質包含微小組織結構的改變、熱膨脹效應及材內部殘應等，會對元件特性造成影響。 半導體元件是由層同的厚且材質互的薄膜所構成，由於每一層薄膜從沉積開始，到元件完成期 間，製程中經同的加工過程，會使得元件的每一層薄膜所承受的內、外應及熱應發生變化。機械應經常使薄膜積過多的能，而造成半導體元件的許多問題，如果薄膜內部存在殘 應，將會對元件穩定性產生影響。 鎢屬的熔點高且具備極佳的階梯覆蓋能，以化學氣相沉積法積在半導體元件上面， 應用在上下屬導線之間的中間屬層，做為柱 (用途 2，如 學機械拋光 (為積體電製造過程中，因晶圓表面高低起伏而導致微影製程上聚焦問題而發展的技術，現則已廣泛應用於 程中，為半導體製程中全面平坦化 (效的方法 3，但薄膜試片經化學機械拋光後，表面材移除的同時伴隨有殘應的變化，殘應對薄膜結構及